El documento presenta 8 problemas resueltos sobre flujo gradualmente variado y el método de tramos fijos. El Problema 1 calcula la altura de remanso a 500 m aguas arriba de una sección dada. El Problema 2 calcula la longitud requerida para revestir una rápida en un canal. El Problema 3 analiza el flujo a través de una compuerta en un canal rectangular.
TALLER PAEC preparatoria directamente de la secretaria de educación pública
Curvas de remanso-tramo fijos
1. HIDRAULICA III
ROBERTO ALEJANDRO CABRERA ARIAS 1
UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR DE LOJA
TITULACIÓN DE INGENIERIA CIVIL
HIDRÁULICA III
FLUJO GRADUALMENTE GRADUADO
PERFILES HIDRÁULICOS
METODO DE TRAMOS FIJOS
DOCENTE: ING. MIREYA LAPO
TAREA PROPUESTA 4
Abstracto: El presente tiene como finalidad desarrollar los respectivos problemas
aplicando el método de tramos fijos.
Para efectos de dichos cálculos se ha empleado hojas electrónicas, a las que se les ha
implementado diversos módulos (funciones) con la finalidad de simplificar la ardua
tarea de iterar tramo a tramo.
Cada problema constituye su respectivo análisis en lo que a su tipo se refiere, capturas
de la hoja electrónica empleada con su respectivo gráfico y finalmente la captura hecha
del software H-CANALES V3 que comprueba el correcto desarrollo del mismo.
Contenido
PROBLEMA 1............................................................................................................................. 2
PROBLEMA 2............................................................................................................................. 4
PROBLEMA 3............................................................................................................................. 6
PROBLEMA 4............................................................................................................................. 8
PROBLEMA 5 ............................................................................................................................. 9
PROBLEMA 6........................................................................................................................... 11
PROBLEMA 7........................................................................................................................... 16
PROBLEMA 8........................................................................................................................... 18
2. HIDRAULICA III
ROBERTO ALEJANDRO CABRERA ARIAS 2
PROBLEMA 1
El tirante normal de un canal trapezoidal para las siguientes características: b=1m,
Z=2, 𝑺 𝒐=0.0005, n=0.025, es 1 m. Existe una presa que produce una curva de remanso de altura
0.5 como se muestra en la figura P.42
Se quiere determinar la altura del remanso en la sección 1, situado a una distancia aguas arriba
de la presa, sabiendo que está a 500 m aguas arriba de la sección 2, la cual tiene una altura de
remanso de 0,35.
1. Calculo de caudal
𝑄 =
1
𝑛
((𝑏 + 𝑧𝑦)𝑦)
5
3
(𝑏 + 2𝑦√1 + 𝑧2)
2
3
∗ √𝑆𝑜 →
1
0.025
∗
((1 + 2 ∗ 1) ∗ 1)
5
3
(1 + 2 ∗ 1 ∗ √1 + 22)
2
3
√0.0005 = 1.797
𝑚3
𝑠
2. Calculo de tirante Crítico.
3. Determinación de perfil
𝑦𝑛 > 𝑦𝑐 ∴ 𝑃𝑒𝑟𝑓𝑖𝑙 𝑡𝑖𝑝𝑜 𝑴
𝒚 = 1.5; 𝒚 𝒏 = 1; 𝒚 𝒄 = 0.4984
4. HIDRAULICA III
ROBERTO ALEJANDRO CABRERA ARIAS 4
PROBLEMA 2
Una canal de sección trapezoidal de ancho de solera b=1m y talud Z=1, conduce un caudal de
0.9 𝑚3
/𝑠. En Cierto lugar del perfil longitudinal tiene que vencer un desnivel, para lo cual se
construye una rápida, cuyas características se muestran en la figura P.43
Calcular la longitud L revestida sabiendo que:
1) La energía especifica de la sección 0 es 2.5217 m-kg/kg
2) Aguas debajo de la rápida la pendiente de fondo es de 0.8%o
3) Los coeficiente de rugosidad son:
0.014 en el tramo revestido
0.025 en el tramo sin revestir (que se inicia después de producido el resalto
hidráulico)
4) Tirante conjugado mayor del resalto igual al tirante normal del tramo sin
revestir. Y2=Yn
𝐸 = 𝑦 +
𝑄2
𝐴2 ∗ 2 ∗ 9.81
→ 2.5217 = 𝑦 +
0.92
((1 + 𝑦)𝑦)2 ∗ 2 ∗ 9.81
→ 𝑦 ∴ 0.1172 𝑚
0.9 =
1
0.025
((1 + 𝑦𝑛)𝑦𝑛)
5
3
(1 + 2𝑦𝑛 ∗ √1 + 12)
2
3
∗ √
0.8
1000
→ 0.780𝑚
0.92
2 ∗ 9.81
=
((1 + 𝑦𝑐)𝑦𝑐)
3
1 + 2𝑦𝑐
→ 𝑦𝑐 = 0.3809
𝑟 =
𝑣2
2
2 ∗ 𝑔 ∗ 𝑦2
→
0.6482
2 ∗ 9.81 ∗ 0.78
= 0.027
𝑡 =
𝑏
𝑍 ∗ 𝑦2
=
1
1 ∗ 0.78
= 1.282
𝐷𝑒 𝑙𝑎 𝑓𝑖𝑔𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝐻𝑖𝑑𝑟𝑎á𝑢𝑙𝑖𝑐𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑛𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑀𝑎𝑥𝑖𝑚𝑜 𝑉𝑖𝑙𝑙ó𝑛
6. HIDRAULICA III
ROBERTO ALEJANDRO CABRERA ARIAS 6
Calculo de longitud del resalto hidráulico Según Sienchin con K=10.6 para un Z=1
𝐿 = 10.6 ∗ (0.78 − 0.1416) = 6.76
Longitud total =6.76+1.5=8.26 m
PROBLEMA 3
Se tiene un canal rectangular, cuyo ancho de solera es 1m coeficiente de rugosidad
n=0.014 y pendiente 0.0008.este canal tiene una compuerta que paso a 1.1 m3/s,
con abertura de a=0.2 m.
Considerando que la altura de la vena contraída en la compuerta es:
Y=Cc x a. donde Cc=0.61 y situado a una distancia de 1.5ª m aguas debajo de la
compuerta, se pide calcular el perfil del flujo desde la compuerta hacia aguas arriba.
Entonces de la siguiente ecuación: 𝐶𝑑 =
𝐶𝑐(0.960+0.979
𝑎
𝑦
)
√1+(𝐶𝑐∗
𝑎
𝑦
)
el coeficiente de descarga está
en función de Coeficiente de contracción, y este a la vez sabiendo que es 0.61 se obtiene
que:
𝑄 = 𝐶𝑑 ∗ 𝐴 ∗ √2 ∗ 𝑔 ∗ 𝑦 →
𝐶𝑐 (0.0960 + 0.0979
𝑎
𝑦
)
√1 + (𝐶𝑐 ∗
𝑎
𝑦
)
𝐴 ∗ √2 ∗ 𝑔 ∗ 𝑦
1.1 =
0.61 ∗ (0.960 + 0.0979
0.2
𝑦
)
√1 + (0.61 ∗
0.2
𝑦
)
∗ (0.20 ∗ 1) ∗ √2 ∗ 9.81 ∗ 𝑦 = 4.575 = 𝑦 = 𝐻
Calculo de tirante normal
1.1 =
1
0.014
(1 ∗ 𝑦𝑛)
5
3
(1 + 2𝑦𝑛)
2
3
∗ √0.0008 → 1.108 𝑀
Calculo de tirante Crítico
1.12
9.81
=
(1 ∗ 𝑦𝑐)3
1
→ 𝑦𝑐 = 0.498 𝑚
Determinación de perfil
𝑦𝑛 > 𝑦𝑐 ∴ 𝑃𝑒𝑟𝑓𝑖𝑙 𝑡𝑖𝑝𝑜 𝑴
𝒚 = 4.575; 𝒚 𝒏 = 1.108; 𝒚 𝒄 = 0.498
𝒚 > 𝑦𝑐 > 𝑦𝑛 ∴ 𝑠𝑒 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎 𝑒𝑛 𝒁𝑶𝑵𝑨𝟏
𝑷𝑬𝑹𝑭𝑰𝑳 → 𝑴𝟏
𝒚 𝒇 = 𝟏. 𝟎𝟏 ∗ 𝑦𝑛 = 1.12 𝑚
9. HIDRAULICA III
ROBERTO ALEJANDRO CABRERA ARIAS 9
PROBLEMA 5
En un canal trapezoidal que conduce 1.3 m^3/s con ancho de solera de 1 m, talud 1, coeficiente
de rugosidad 0.014, se produce un quiebre en su pendiente cambiando desde 0.008 sobre el
lado aguas arriba a 0.004 en el lado agua abajo. Calcular el perfil del flujo en el tramo aguas
abajo, desde el quiebre hasta una sección donde la profundidad sea el tirante normal en el
tramo, usando:
Calculo de tirante normal
𝑦 𝑛1 = 1.3 =
1
0.014
((1 + 𝑦𝑛)𝑦𝑛)
5
3
(1 + 2𝑦𝑛√1 + 12)
2
3
∗ √0.008 → 0.374𝑚
11. HIDRAULICA III
ROBERTO ALEJANDRO CABRERA ARIAS 11
COMPROBACIÓN CON H CANALES
PROBLEMA 6
Un canal de sección rectangular, con ancho de solera 1.5 m, y coeficiente de rugosidad
n=0.014, conduce un caudal de 1.5 m^3/s. en cierta parte del perfil longitudinal del canal se
tiene un perfil como se muestra figura P.46
12. HIDRAULICA III
ROBERTO ALEJANDRO CABRERA ARIAS 12
El tramo 1 tiene un pendiente de 1% y en el se encuentra una compuerta cuya apertura es:
a=0.20m.
El tramo 2 tiene una pendiente de 1.5%
Considerando que la altura de la vena contraída es y=Cc*a, donde Cc=0.7 y situado a una
distancia de 1.5*a m, aguas a bajo de la compuerta, se pide:
a) Análisis de los perfiles de flujo
b) El perfil aguas arriba de la compuerta. Usar el método.
c) El perfil agua a bajo del cambio de pendiente. Usar el método de tramos fijos.
(Con 5 tramos que estén separados 5 m)
Determinación del régimen del caudal
Calculo de tirante Crítico
1.52
9.81
=
(1.5 ∗ 𝑦𝑐)3
1.5
→ 𝑦𝑐 = 0.467 𝑚
Calculo de tirante normal
𝑦 𝑛1 = 1.5 =
1
0.014
(1.5 𝑦 𝑛1)
5
3
(1.5 + 2𝑦 𝑛1)
2
3
∗ √0.01 → 0.3595𝑚
𝑦 𝑛2 = 1.5 =
1
0.014
(1.5 𝑦 𝑛2)
5
3
(1.5 + 2𝑦 𝑛2)
2
3
∗ √0.015 → 0.3129𝑚
Carga necesaria tras la compuerta para el caudal de 1.5 m3/s
Entonces de la siguiente ecuación: 𝐶𝑑 =
𝐶𝑐(0.960+0.0979
𝑎
𝑦
)
√1+(𝐶𝑐∗
𝑎
𝑦
)
el coeficiente de descarga está
en función del coeficiente de contracción (Cc), y este a la vez sabiendo que es 0.7 se
obtiene que:
𝑄 = 𝐶𝑑 ∗ 𝐴 ∗ √2 ∗ 𝑔 ∗ 𝑦 →
𝐶𝑐 (0.960 + 0.0979
𝑎
𝑦
)
√1 + (𝐶𝑐 ∗
𝑎
𝑦
)
𝐴 ∗ √2 ∗ 𝑔 ∗ 𝑦
1.5 =
0.7 ∗ (0.960 + 0.0979
0.2
𝑦
)
√1 + (0.7 ∗
0.2
𝑦
)
∗ (0.20 ∗ 1.5) ∗ √2 ∗ 9.81 ∗ 𝑦 = 2.9162 = 𝑦 = 𝐻
𝐻 > 𝑦𝑐 > 𝑦 𝑛1 ∴ 𝑧𝑜𝑛𝑎 1
13. HIDRAULICA III
ROBERTO ALEJANDRO CABRERA ARIAS 13
Análisis de los perfiles de flujo
Ambos tirantes de los tramos para las distintas pendientes longitudinales son
menores que el crítico, por ende el fluido se encuentra en un régimen supercrítico
que generan exclusivamente curvas de remanso S. Independientemente en la zona en
la que se forme son las únicas que se dan.
Antes de la compuerta se requiere una carga de 2.9162 m para que salga por
abertura de la misma un caudal de 1.5 m^3/s dando lugar a la formación de una
curva S1. Antes como se cambia de régimen supercrítico a crítico se forma un
resalto hidráulico para lo cual se calculó el conjugado mayor:
YF1=1.01*0.3595=0.356
Luego de la compuerta la lámina de agua que emerge de la abertura se contrae a un
70% es decir; 𝑦2 =0.7*0.2=0.14 m siendo 𝑦2 < 𝑦 𝑛1 < 𝑦 𝑐 dando lugar a la formación
de una curva S3
En última instancia existe en el canal un cambio de pendiente de fuerte a más fuerte.
Sabiendo que en estas circunstancias una singularidad en el régimen supercrítico
crea efectos hacia aguas abajo, se generaría una tercera curva de remanso justo en el
cambio de pendiente.
Al haber definido que 𝑦𝑐 > 𝑦 𝑛1 < 𝑦 𝑛2 se produce una curva S2
16. HIDRAULICA III
ROBERTO ALEJANDRO CABRERA ARIAS 16
PROBLEMA 7
Un canal trapezoidal de ancho de solera 1 m, talud 1.5, coeficiente rugosidad 0.014, conduce
un caudal de 1.5 m^3/s. Este canal tiene que atravesar un perfil como se muestra en la figura.
Considerando que los tramos tiene una longitud adecuada para que se forme el flujo uniforme:
a) Realizar el análisis del perfil del flujo
b) Calcular las curvas de remanso que se producen
Determinación del régimen del caudal
Calculo de tirante Crítico
1.52
9.81
=
((1 + 1.5𝑦𝑐)𝑦𝑐)3
1 + 2 ∗ 1.5 ∗ 𝑦𝑐
→ 𝑦𝑐 = 0.479 𝑚
Calculo de tirante normal
𝑦 𝑛1 = 1.5 =
1
0.014
((1 + 1.5𝑦 𝑛1)𝑦 𝑛1)
5
3
(1.5 + 2𝑦 𝑛1 ∗ √1 + 1.52)
2
3
∗ √0.008 → 0.3774𝑚 < 𝑦𝑐
𝑦 𝑛1 = 1.5 =
1
0.014
((1 + 1.5𝑦 𝑛1)𝑦 𝑛1)
5
3
(1.5 + 2𝑦 𝑛1 ∗ √1 + 1.52)
2
3
∗ √0.005 → 0.4271𝑚 < 𝑦𝑐
Análisis
En los tramos el régimen es supercrítico y la singularidad que causa efectos al flujo uniforme es
el cambio de pendiente. Sabiendo que los efectos son hacia aguas abajo de tal singularidad
existe una curva de remanso S3 correspondiente a uno de los casos generales de pendiente
fuerte a menos fuerte.
18. HIDRAULICA III
ROBERTO ALEJANDRO CABRERA ARIAS 18
PROBLEMA 8
Para el desarrollo de un proyecto de riego, se va a derivar de un río de 5 m^3/s. Considere el
río de sección rectangular de ancho 6.5 m, S=0.5%o n=0.030.
La obra de toma consta de una presa de derivación con perfil Creager (con C=2) con altura de
2.5 m y una batería, de 3 compuertas cuadradas de 0.65 de lado, Colocadas a 0.20 m con
respecto del fondo, en condiciones de descarga libre, (cd=0.6), como se muestra en la figura.
Calcular la influencia hacia aguas arriba de la presa.
Considere que el perfil se inicia al inicio de la compuerta (la más alejada de la presa) y termina
cuando el tirante tiene una diferencia del 2% con respecto al tirante normal.
Usar el método directo por tramos, considerando 4 puntos, incluidos los extremos.
Considerando que antes del perfil el caudal afluente se desconoce, sin embargo para
efectos de cálculo se determina la carga necesaria para poder derivar 5 m3 del canal.
𝑄𝑇 = 𝑄1 = 𝑄2
𝑄1 = 𝐶 ∗ 𝐿 ∗ ℎ
3
2
5 = 0.6 ∗ 0.652
∗ √2𝑔ℎ → 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑖𝑑𝑒𝑟𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑞𝑢𝑒 𝑛𝑜 𝑒𝑠 𝑢𝑛 𝑢𝑛 𝑜𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑖𝑜 𝑠𝑢𝑚𝑒𝑟𝑔𝑖𝑑𝑜
h Q1 Q2 QT
3,019 4,861 5,320 10,180
2,800 2,136 5,081 7,217
2,729 1,420 5,000 6,420
Calculo de tirante Crítico
6.422
9.81
=
(6.5 ∗ 𝑦𝑐)3
6.5
→ 𝑦𝑐 = 0.463 𝑚
Calculo de tirante normal
𝑦 𝑛1 = 6.42 =
1
0.030
(6.5𝑦 𝑛1)
5
3
(6.5 + 2𝑦 𝑛1)
2
3
∗ √0.0005 → 1.362𝑚